农田水氮关系及其协同管理

作物施氮反应及其氮肥利用率不仅取决于氮肥管理,还与水资源管理有关,并且受到地区气候因素的影响。针对中国灌溉农区氮肥环境污染问题日益突出,协调农田水氮管理,如通过改善水资源管理,发挥水氮协同效应,以提高水分利用效率来改善氮肥利用率,实现水氮利用率双赢,是当前农业水氮管理中亟待探讨和回答的问题。通过对农田水氮协同相关研究文献资料的综述,以华北平原集约种植体系水氮管理为例,根据历年统计数据,分析了该区年水热条件下粮食产量与水、氮及水氮利用效率之间的关系。研究表明,水和氮与作物产量在一定范围表现为水氮的协同效应。水分利用效率一般随灌溉水量减少及氮肥用量增加而提高;氮肥利用效率随氮用量增加而下降。适量节水和减氮分别有助水分利用效率和氮肥利用效率的改善。在气候变暖、变干条件下,适量施氮成为改善水氮利用效率的关键对策。     

农田灌溉对气候的影响研究综述

过去200年全球灌溉农田面积迅速扩张,灌溉对气候的影响逐渐受到世界各国研究者的关注。回顾了过去有关灌溉对气候的影响研究,归纳了前人的研究手段,指出了目前研究中存在的问题和困难,并提出了未来灌溉对气候的影响研究应该注重如下几个方面:1)同时利用观测数据分析方法和模型模拟研究方法进行灌溉对区域气候的影响,并将两者的结果进行对比分析,以求做到互相验证;2)对于缺乏地面观测数据或者地面数据受其他因素(比如:城市化)影响大的区域,建议利用遥感观测数据进行灌溉对地表参数的影响研究;3)注意对灌溉四大属性(灌溉位置、灌水量、灌溉方式和灌溉时间)的精确模拟,可以考虑耦合气候模型和作物模型进行模拟研究,并注意区分灌溉旱地和灌溉水田。4)提倡利用多模式集合的方式研究灌溉对区域气候的影响,以减少灌溉对气候影响(强度和方向)模拟结果的不确定性;5)未来也应该考虑模拟灌溉和气候变化间的互馈影响。     

补施氮肥对秸秆覆盖条件下旱作冬小麦光合特性及产量形成的影响

基于旱作冬小麦秸秆覆盖定位试验,采用微区施肥方式研究了作物生育后期补施氮肥对作物光合特性及产量形成的影响.覆盖定位试验包括全年无覆盖(CK)、生育期秸秆覆盖9000 kg·hm-2(HSM)、生育期秸秆覆盖4500 kg·hm-2(LSM)和休闲期秸秆覆盖9000 kg·hm-2(FSM)4个处理;微区施肥在小麦孕穗期...     

植物适应土壤氮素环境的基因选择:以水稻为例

在农业生产过程中,施用无机氮肥是提高作物产量的基础,但氮肥过量施加对生态系统和植物发育进程均会产生不利影响。因此,提高作物氮素利用效率是农业可持续发展的关键。目前,对重要粮食作物水稻(Oryza sativa)的氮高效研究取得了一系列重要进展,并克隆到多个调控氮素吸收、转运和代谢的关键基因。然而,在不断被人工选育的过程...     

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。     

长期施肥对黄土高原黄绵土氮肥利用率的影响

氮肥利用率是确定推荐施氮量和施氮效果评价的关键参数.本文通过黄土高原黄绵土区持续34年(1981—2015年)的长期定位试验,研究了长期不同施肥处理对氮肥当季利用率和累积利用率的影响及氮肥当季利用率与累积利用率的关系.结果表明: 除试验起始年(1982)外,不同施肥处理对小麦、油菜和胡麻3种作物氮肥的当季利用率和累积利用率都有显著影响,其中小麦以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为氮磷配施(NP)处理,分别较单施氮肥(N)处理提高了77.7%和62.0%;油菜也以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为有机肥与氮磷钾配施(MNPK)处理,分别较单施氮肥处理提高了93.7%和65.6%.有机肥与氮肥配施(MN)处理氮肥当季利用率较单施氮肥(N)处理显著增加,而有机肥与氮磷配施(MNP)和氮磷钾配施(MNPK)处理氮肥当季利用率较相应氮磷配施(NP)和氮磷钾配施(NPK)处理明显降低.氮肥当季利用率与作物籽粒产量存在显著的线性正相关关系,而累积利用率与作物籽粒产量的相关关系不明显.表明与氮肥累积利用率相比,当季利用率能较及时地反映特定土壤肥力、作物种类、品种和环境条件下的肥料利用率特征.     

基于水足迹的作物生产生态效率评价——以陕西省为例

传统生产函数很少考虑农业生产中自然资源的要素功能,也无法表达化肥、农药的使用对环境产生的损害。研究将绿水、蓝水和灰水足迹,分别代表降水资源、灌溉水资源和作物生产的环境影响,引入农业生产函数,采用随机前沿方法测算陕西省作物生产生态效率,并分析其影响因素。结果表明：1）1985-2018年间陕西省作物生产总水足迹呈上升趋势,作物生产单位面积用水强度不断增强。单位面积水足迹及蓝、绿、灰水占比与气候、种植结构,灌溉条件和农业污染相关。2）研究期内,陕西省作物生产生态效率以2003年为分界点呈现先降后升趋势,陕西省作物生产生态效率的U型波动对应政府对耕地资源保护和农业污染管控政策变化。3）作物生产生态效率低下的区域集中在生产落后的农业区和农业条件差的工业区,农业耕地质量差,灌溉条件匮乏,低效率（产值角度）的灌溉和化肥农药施用以及落后农业生产方式是导致作物生产生态效率低下的主要原因。4）研究期内,陕西省作物生产经历了从规模报酬递增,到规模报酬递减2个阶段,与耕地面积的变化基本对应。短期内,考虑各投入要素的产出弹性调整种植结构和化肥农药施用量是提高作物生产生态效率的有效措施,而促进农业产业升级和技术革新是推动作物生产生态效率提升的根本路径。     

基于气候适宜度的东北地区春玉米发育期模拟模型

以春玉米的生理生态发育过程为基础,基于作物生理发育时间恒定原理,建立了可推广应用的作物发育期模拟模型.本文充分考虑光、温、水对作物生育进程的综合影响,设计了基于气候适宜度来动态确定作物生理发育日数的算法,为模型的大范围推广应用奠定了基础.利用东北地区农业气象站2009、2010年观测资料对模型进行了分析和验证,模型运行结果与实际观测情况比较吻合,全生育期的均方根误差(root mean square error,简称RMSE)为3.8d,营养生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.84以上,生殖生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.77以上.模型生物学意义明确、精度较高、数据易获、可操作性强,能够在农业气象业务服务中应用于玉米生育进程的模拟与预测.     

2020-2050年CO2施肥效应促进全球陆地生态系统碳吸收

CO₂施肥效应是全球变绿的主要原因,随着大气中CO₂浓度的持续增加,预估未来气候变化条件下,CO₂施肥效应对陆地生态系统的影响对减缓全球气候变化具有重大意义。基于未来气候情景数据和Farquhar模型,并结合生态过程模型BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator),定量化研究2020—2050年CO₂施肥效应对全球叶面积指数(LAI)和总初级生产力(GPP)的影响。研究结果显示2020—2050年,在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5气候情景下,CO₂施肥效应导致的LAI年际变化趋势分别为0.002、0.003和0.005 m^-2m^-2a^-1;三个气候情景下CO₂施肥效应对LAI的影响为CO₂每增加0.1%,LAI平均增加约8.1%—9.2%,由此导致GPP对应增加7.9%—14.6%;由CO₂施...     

水稻氮模型ORYZA—0及其应用研究

本研究利用氮行为模型ORYZA－0并结合Price(1979)规则系统数学优化程序,模拟了氮在土壤－水稻中的运行轨迹和水稻各生育期的需氮规律,并据此制定氮肥优化管理方案。试验结果表明,该模型推荐的施肥方案在不同品种、气候、季节和土壤条件下均具有较强的适应性,总体表现为增产、省氮、节本、增益,应用前景良好。     

动态空气动力学参数对玉米田陆-气通量模拟的影响——以BATSle模型为例

基于2006-2008年锦州玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,利用所建立的考虑玉米不同发育期叶面积指数、冠层高度和风速的地表粗糙度(z0)和零平面位移(d)动态参数化方案对BATS1e陆面模型进行改进,研究空气动力学参数变化对玉米田陆-气通量模拟的影响.结果表明:改进后的拖曳系数(CD)随植被覆盖度增大而增大,更符合实际;感热、潜热和土壤热通量的模拟精度均有不同程度改进,效率系数分别提高0.0569、0.0194和0.0384,生长季累计改进量分别占总辐射的0.9％、1.1％和1.2％;当输入真实的表层土壤湿度后,z0和d动态参数化对感热和潜热的改进作用更大.合理的动态空气动力学参数化方案对陆面过程模拟具有明显改善作用.     

土壤干旱胁迫对作物影响的模拟研究进展

用于模拟土壤干旱胁迫对作物影响的模型分为两类,一是水分管理模型,此类模型并不模拟作物的生长发育,但可以用于灌溉管理;二是作物生长模拟模型,这类模型模拟作物生长的主要过程(如叶片生长、生物量的积累与分配等),通常以实际蒸腾与潜在蒸腾的比值估算土壤干旱胁迫对作物光合的影响,近年来发展的耦合模型将植物的碳同化、蒸腾、能量平衡以及气孔行为相耦合,使得土壤干旱胁迫对作物影响的模拟更具机理性。本文从不同模型模拟土壤干旱对作物影响的原理入手,阐述了水分管理模型(FAO水分生产函数模型)、作物生长模型(Aqua Crop模型、CERES-Maize模型、WOFOST模型、EPICphase模型、耦合模型)等具有代表性模型是如何模拟土壤干旱胁迫对作物生长发育和(或)产量影响的,提出了作物模型模拟土壤干旱胁迫影响时应着力解决的问题:完善干旱对作物物候的影响模拟;考虑花期不遇对作物产量影响的模拟;考虑后续持续影响的模拟机制;发展更加基于物理和生理过程的模型。提出:作物模型的发展还需要多领域如模型程序员、田间试验、植物生理学家的相互协同与发展,田间试验研究是作物模型发展不可或缺的数据来源与坚实基础。     

陆面模式中根系参数的改进及其对模拟结果的影响

为改进陆面模式中根系的参数化,本文在陆面模式SSiB2玉米农田参数本地化的基础上,将CERES-Maize的根系子模型嵌套到SSiB2模式中,研究2种改进的根系参数化方案对陆气通量模拟结果的影响.结果表明： 当根系模型只为SSiB2模式提供根系深度参数（方案1）时,陆气通量的模拟精度有所提高：整个生育期内,感热通量、潜热通量等的模拟值与观测值的相关系数增大,线性拟合的均方根误差减小;播种后121天 成熟,CO₂通量的模拟精度也有所提高.当根系模型为SSiB2模式同时提供根系深度和根长密度两种参数（方案2）时,上述通量的模拟精度较原SSiB2模式同样得以提高.与方案1相比,方案2考虑因素更为复杂、全面,但陆气通量的模拟效果却反而有所下降.改进的根系参数化方案较原SSiB2模式的根系参数化方案更接近实际,这使陆气通量的模拟精度提高;方案2过分夸大了表层土壤的相对根量,使其模拟效果逊色于方案1.     

中国北方4个乔木属花粉—气候响应面模型研究

借鉴地质趋势面和生态响应面的方法,考虑到中国北方特殊的气候与植被状况,进行了表土花粉丰度与气候参数(年均降水量和7月均温)之间的非线性函数方程即花粉-气候响应面模型的研究。并从实际出发,选择了分布较广、生态指示意义较大的松属(Pinus)、桦木属(Betula)、栎属(Quercus)和云杉属(Picea)等木本植物,依数据变换方式的不同,共采用了22种建模方案来建造它们的花粉-气候响应面模型。通过对模型方程进行质量检验,选择质量最优的建模方案建模,结果表明模型对数据拟合较好,可用于中国北方定量重建古环境的研究工作中。     

玉米根分布模拟方法比较

根分布是陆面过程模型中模拟根系吸水过程的重要参数,对其准确表达将可改善水热通量的模拟。利用已有研究中玉米不同发育期根生物量实测资料,对常用于现有主流陆面过程模型中分别由Schenk、Zeng和Jackson建立的3种根分布参数化方案(被定义为M1、M2、M3)的模拟精度进行比较。结果表明:M2和M3模拟精度基本一致,仅在玉米吐丝期以后模拟精度较高,而M1能够对玉米不同发育期根分布进行较高精度的模拟,是3方案中的最优方案;通过对M1方案中玉米不同发育期d50和d95(累积根比例分别为50%和95%的土层深度)2个参数拟合值分析发现,d95值随玉米生育进程逐渐增大,变异性在拔节和成熟期最大,在吐丝期最小;d50值在大喇叭口期以前随生育进程增大,在吐丝期以后趋于稳定;d50和d95值在大喇叭口期以前与现有模型设定值差异最大,可引起陆面过程模拟的误差。     

作物光能利用效率和收获指数时空变化研究进展

1972年Monteith提出的光能利用效率模型是当前大多数作物生长和产量形成模拟研究以及遥感估产所采用的主要方法.光能利用效率(radiation use efficiency, RUE)和收获指数(harvest index, HI)是其中的两个基本参量.鉴于目前作物RUE和HI研究与应用中仍存在着一些问题,本文综述了相关研究进展,总结了不同尺度上作物RUE和HI的研究方法;介绍了当前遥感估产应用中对RUE和HI两个关键参数的处置概况;建议今后研究应在点尺度开展作物RUE和HI研究的基础上,寻求其在区域尺度上定量评估的可行性途径,切实有效地发挥作物RUE和HI研究在作物实际生产管理中和遥感产量估算方面的应用价值及潜力.     

施氮水平对两种水稻产量影响的动态模拟及施肥优化分析

借助水稻生长模型ORYZA-0和氮肥管理模块,通过田间和水槽的水稻氮肥试验,对水稻模型和N素动态模块进行了验证。结果表明,模型模拟的不同N素水平水稻生物量、产量同实际测定值明显呈正相关。其中,氮肥用量160kg·hm^-2为最佳经济施氮量,通过获得的水稻参数和氮肥应用曲线模拟的氮肥运筹结果表明：1)在低N(N<100kg·hm^-2)水平下,氮肥应在移栽后35d内全部施入;2)当施氮量为100～200kg·hm^-2时,N应在移栽后45d内全部施入;3)当施氮量N>200kg·hm^-2时,氮肥应在移栽后60d内全部施入;4)随着施氮量的增加,后期施肥比重可略为增加。总体来看,模型不仅能较准确地模拟水稻生长动态,而且可以模拟水稻N吸收和积累的行为动态,从大田晚稻的氮肥运筹模拟结果可看出,氮肥应用次数越多,越接近施氮应用积累曲线的连续施氮产量模拟值(6199kg·hm^-2),但是在实际生产中这会增加农民的用工量和生产成本,难以让农民接受。因而在生产实际中既能让生产者接受,又不致较多地影响产量和收入,在160kg·hm^-2(纯N)施用量下的最佳施肥方案为N素化肥分4次按0．2：0．3：0．3：0．2的比例,分别于移栽后5、20、30和40d施入,可获得5916kg·hm^-2的产量。     

温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型

建立了基于温室环境参数、甜瓜生长发育参数和土壤水分参数的温室甜瓜日蒸腾量估算模型,以研究温室条件下甜瓜蒸腾量的估算方法.根据温室内特定环境对Penman-Monteith方程中空气动力项进行修正,推导出了适于计算温室条件下参考作物蒸腾量的温室环境因子子模型;以甜瓜叶面积指数为自变量构建了作物因子子模型,模型形式为线性函数;以土壤相对有效含水量为自变量构建了土壤水分因子子模型,模型形式为对数函数.采用分期播种法,根据周年不同播期实测数据对模型参数进行估计和分析.采用土壤相对含水量分别为80%、70%、60%的实测蒸腾数据,对模型在充分灌溉和节水灌溉条件下的预测精度进行了检验,模拟值的平均相对误差分别为11.5%、16.2%、16.9%.所建蒸腾模型是对Penman-Monteith公式在温室环境和节水灌溉条件下的有益探索,具有重要推广应用价值.     

APSIM 模型的发展与应用

土壤-作物模拟模型已成为向农业生产管理决策提供科学依据的一个有效工具,APSIM（Agricultural Production System Simulator)模型是澳大利亚科学家开发研制的,用于模拟农业系统穰生物过程,特别是气候风险下系统各组分生态和经济输出的机理模型,APSIM已在温带大 陆性气候,温带海洋性气候,亚热带干旱气候和地中海气候带下的粘土,胀缩土（duplex),变性土（vertisol),粉粒砂壤,粉粒壤土和粉粒粘壤土等土壤上进行了验证和应用。可以用于小麦等20余种作物的模拟,APSIM模型在作物结构和轮作序列调整,作物产量,质量预测和控制及不同种植方式下水土流失调控等方面具有良好的描述能力。     

基于温度的作物需水量估算方法

科学准确地估算作物需水量是灌溉预报和农业用水管理的基础,本文探索如何充分利用温度这一定量信息估算作物需水量,并对不同时间尺度的估算精度进行评判分析,以更好地服务于灌区的灌溉预报和水土资源管理.利用新乡市1970—2010年的气象数据对Hargreaves公式的3个基本参数和McClound公式的2个参数进行了订正;针对冬小麦生育期,筛选出Hargreaves公式作为参考作物需水量（ET₀）的估算方法,然后结合基于温度的作物系数计算模型建立了基于温度的作物需水量计算模型,根据2011年10月—2012年5月新乡气象和灌溉试验资料对不同时间尺度（1、3、7 d）的ET_c进行了预测和精度评估.结果表明： 1、3、7 d ET_c的预测值与实测值的相关系数分别达到0.883、0.933、0.959,一致性指数分别达到0.94、0.95、0.97,预测误差随时间尺度增大而减小,误差<1 mm·d^-1的预报准确率均>80%,误差<2 mm·d^-1的预报准确率均>90%,各时间尺度的预报精度都较高,可为灌区灌溉预报和农业用水管理提供较为可靠的数据支撑.